Летящая из облака капля дождя по пути на землю испытывает действие самых различных законов физики. Они сплющивают ее, превращают в неоднородный купол, а затем разрывают в целый душ из капелек самого разнообразного размера.
Французские исследователи подвергли сомнению идею, что размер и разнообразие падающих на землю капель дождя определяется их столкновениями в течение полета. Большинство капель имеют диаметр около 1 мм, лишь некоторые достигают размера 5 мм. Но в одном кубическом метре пространства обычно падает только несколько тысяч капель, сообщает New Scientist. Распределившись в большом объеме, капли успеют столкнуться самое большее несколько десятков раз, падая с километровой высоты.
Эммануэль Вилермо и Бенжамен Босса из Марсельского университета использовали ветродувную установку, направленную вверх, чтобы сымитировать в лаборатории падение дождевой капли. Французы записали видеоматериал, показывающий, что происходит с каплей, пока она летит. А так как реальный полет в экспериментальных условиях значительно сократился по времени, исследователям пришлось сделать запись с частотой 1000 кадров в секунду, чтобы не пропустить ни одного момента из жизни капли, сообщает ScienceNOW.
Полученные наблюдения Вилермо и Босса объяснили на основании физических законов.
По пути от облака капля получает ускорение свободного падения, вызванного притяжением Земли. По мере падения сопротивление воздуха постоянно увеличивается. Капля в результате сплющивается и приобретает куполообразную форму. Края капли при этом неровны из-за неоднородности воздушного пространства. В итоге силы поверхностного натяжения, удерживающей каплю в целостности, становится недостаточно -- и капля разрывается. Образуется целых душ, состоящий из различных по размеру капель воды.
От фермера до лаборатории
Вилермо рассказал, что провести эксперимент его вдохновил опыт фермера из Вермонта Уилсона Бентли, который более 100 лет назад взял пластины, покрытые слоем муки, и подставил их под дождь на непродолжительное время. Посчитав и измерив размеры мокрых пятен, Бентли примерно подсчитал число и размеры капель.
Но остался вопрос, как образуются капли различных размеров. Более 60 лет назад Стюарт Маршал и Уэлтер Палмер из Университета Макгилла в Монреале выяснили, что размеры капель сильнее варьируются в сильных ливнях, чем в мелкодисперсных туманах. Но объяснить это не смогли.
Опыт же Вилермо и Босса дает решение: большие капли склонны к разрыву и могут образовывать большее разнообразие «последователей». «Я ожидал, что процесс этот сложен, с большим количеством зависимостей, -- поделился мнением об исследовании Йенс Эггерс из Университета Бристоля. -- Вместо этого на основании нескольких физических моделей авторам удалось красиво показать, что размер падающих капель связан с интенсивностью дождя простым и универсальным способом».
По словам Вилермо, уравнения, объясняющие разрыв капель, намного проще тех, что требуются для описания столкновения капель. Объяснить образование капель различного размера стало проще.
Янан Лю из Брукхейвенской национальной лаборатории США также положительно оценил результаты опыта, опубликованные в журнале Nature Physics. Но он не уверен, что предложенное объяснению подойдет для всех типов дождя. Например, в виде дождя на землю могут прилетать и тающие снежинки.
